Bevezetés a hart - autópálya címezhető távvezérlő kommunikációs protokolljába

A két gép (vagy azokon belüli alkatrészek) egymással való beszélgetésének előnyei nyilvánvalóak voltak az ipari automatizálás és az irányítás szakemberei számára, még mielőtt a tárgyak internete (IoT) mainstream lett. A főtengely középpontjában lévő hőmérséklet-érzékelő értékei, amelyek méréseket küldenek a motorhajtás relé stb. Vezérléséhez, egyértelműek voltak, és ennek elérésére használt egyik kommunikációs protokoll a HART protokoll volt.

A világszerte telepített, több mint 30 millió eszközén alapuló HART- protokollt az ipari automatizálás legnépszerűbb protokolljának tekintik, és a mai cikk áttekintést nyújt arról, hogy mi teszi olyan különlegesé. Megvizsgáljuk annak jellemzőit, alkalmazásait és frissített verzióit, mint a WirelessHART.

Áttekintés

A Highway Addressable Remote Transducer (HART) protokoll az egyik legnépszerűbb nyílt kommunikációs protokoll, amelyet az ipari automatizálás során használnak digitális információk küldésére és fogadására az intelligens eszközök és a vezérlőrendszerek közötti analóg vezetéken keresztül. Ez a protokoll a soros kommunikációs protokoll, például az RS485 előrehaladása, és esemény, amelyet az iparágakban is népszerűek.

Az 1980-as években Emerson saját fejlesztésű kommunikációs protokollként fejlesztette ki a meglévő 4-20 mA-es kommunikációs protokoll hibáinak orvoslására, amelyek csak egy paramétert vagy mért értéket tudtak továbbítani. A HART segítségével az ipari automatizálási erőfeszítések kétirányú kommunikációt érhetnek el, amely rögzíti a 4-20 mA hátrányait, de megtartja az infrastruktúráját is, mivel a HART protokoll képes digitális jeleket küldeni azáltal, hogy torzítás és interferencia nélkül ráhelyezi az analóg jelekre.

A fentiek hatására két egyidejű kommunikációs csatorna jön létre: a 4-20 mA analóg jel és egy digitális jel. Ez a kombináció az oka annak, hogy a protokollt hibrid protokollnak nevezik. Tipikus alkalmazások, például a műszeres eszközök, a 4-20 mA jelet használhatják az elsődleges mért érték elküldésére, az egymásra helyezett digitális jel felhasználásával pedig információk küldésére.

A 4-20 mA alapú eszközök támogatása azt jelentette, hogy a vállalatok továbbra is használhatják régi hardverüket. Ez a protokoll „nyitottá” válásával együtt magasra emelte a protokoll átvételi szintjét, amíg az de facto szabványsá vált az iparban

A HART kommunikációs protokoll működése

HART A kommunikáció két HART-kompatibilis eszköz között történik, általában egy intelligens terepi eszköz és egy vezérlő vagy felügyeleti rendszer között. Amint azt korábban leírtuk, a protokollon alapuló eszközök analóg jelet továbbítanak a meglévő 4-20mA megközelítéssel, a digitális jeleket pedig úgy, hogy a jelet (váltakozó áramú jelként) a 4-20mA analóg jelre helyezik, a Bell 202 frekvenciaváltó billentyű segítségével (FSK) szabvány.

Az FSK eljárás magában foglalja két frekvencia, jellemzően 1200Hz és 2200Hz szinuszhullámok egymásra helyezését, amelyek a küldött adatok bitjeit (1, illetve 0) képviselik. Az FSK használata biztosítja, hogy a két frekvencia átlagos értéke mindig nulla legyen, biztosítva, hogy az analóg jelet ne befolyásolja a digitális jel.

Hálózati konfigurációs módok

A különféle alkalmazások igényeinek kielégítésére a HART Protokoll alá tartozó eszközök két fő módban konfigurálhatók;

1. Pont-pont mód
2. Többcseppes mód

1. Pont-pont hálózati mód

Pont-pont módban a digitális jelek átfedésre kerülnek a 4–20 mA-es hurokáramon oly módon, hogy mind a 4–20 mA-es áram, mind a digitális jel felhasználható üzenetek továbbításához a master és a slave között. Ez a protokoll tipikus alkalmazását jelenti, másodlagos változókkal és adatokkal, amelyeket megfigyelésre, karbantartásra és diagnosztikai célokra lehet felhasználni, és amelyeket a digitális jelek között cserélnek, miközben a vezérlő jeleket a protokoll analóg felén keresztül küldik. A pont-pont hálózat konfigurációjának illusztrációja az alábbi képen található.

2. Többcseppes hálózati mód

A Multi-Drop hálózati konfigurációs mód lehetővé teszi több eszköz csatlakoztatását ugyanazon a vezetékpáron, hasonló módon, mint a cím alapú protokollok, például az i2c. A többcseppes módban történő kommunikáció teljesen digitális, mivel az analóg hurokáramon keresztüli kommunikáció le van tiltva, mivel az egyes eszközökön keresztüli áram rögzítve van az eszköz működéséhez éppen elegendő minimális értéken (általában 4 mA). A többcseppes hálózati konfigurációkat tipikusan olyan felügyeleti ellenőrzési alkalmazásokban használják, amelyek nagy távolságban vannak, mint például a tartályfarmokban és a csővezetékekben. A Multi-Drop hálózati konfigurációt az alábbi kép szemlélteti.

Kommunikációs módok

Általában a HART Protokollal folytatott kommunikációhoz a hálózat egyik eszközét, általában elosztott vezérlőrendszert vagy PLC-t kell kijelölni Master-ként, míg más eszközöket, általában terepi eszközöket, például szenzorokat vagy működtetőket, slave-ként jelölnek meg.

Azonban a rabszolgák kommunikációja a mesterrel attól a kommunikációs módtól függ, amelyre a hálózat konfigurálva van. A HART protokollnak megfelelő eszközök hálózata két üzemmódban kommunikálhat, nevezetesen;

1. Kérés-válasz kommunikációs mód
2. Folyamatos üzemmód

1. Kérés-válasz kommunikációs mód

Request-Response Communication módban a rabszolgasoros készülékek csak akkor továbbítanak információt, ha a Master eszköz egy kérést ad ki. Noha ennek az üzemmódnak hátrányai vannak, különösen a csökkent kommunikációs sebesség (2-3 adatfrissítés másodpercenként), ez segít a protokoll egyszerű, hatékony és könnyen megvalósítható megtartásában.

2. Sorozatkép

Annak érdekében, hogy helyet biztosítson az alkalmazási követelményeknek, a protokollnak van egy másik kommunikációs üzemmódja, az úgynevezett „Burst” mód. Ebben az üzemmódban a szolga eszközök egyetlen információt küldhetnek folyamatosan, anélkül, hogy a mester ismételten kéri őket. Ez az üzemmód gyorsabb kommunikációs sebességet kínál, másodpercenként akár 3-4 frissítéssel, és jellemzően olyan esetekben használják, amikor egynél több HART eszközre van szükség a HART hurok kommunikációjának hallgatásához.

A legtöbb ipari alkalmazáshoz szükséges külső monitorozás lehetővé tételéhez mindkét kommunikációs mód legfeljebb két elsődleges és másodlagosként definiált mastert támogat. Az elsődleges master, amint azt a fenti kép mutatja, általában a fő vezérlő / felügyeleti rendszer, míg a másodlagos master általában olyan eszköz, mint a kézi terminálok, más néven HART Communicator, amely csak rövid ideig csatlakozik a HART hurokhoz.

Előnyök

A HART protokoll néhány előnye az osztály többi tagjával szemben;

1. Kétirányú kommunikáció

Például egy 4-20 mA-es analóg jel használata lehetővé teszi az információ áramlását csak egy irányban (adó a vevő felé). A HART kommunikációval az adatok mindkét irányban haladhatnak.

2. Új típusú információk

A hagyományos kommunikációs csatornák, mint például a 4-20mA, csak egyetlen folyamatváltozó kommunikációját teszik lehetővé, érvényesítésre nincs lehetőség, de a HART segítségével akár 40 további információt is megszerezhet a folyamatváltozóval együtt.

Néhány példa a HART-alapú eszközökből beszerezhető további információkra;

1. Eszköz állapota és diagnosztikai riasztások
2. Folyamatváltozók és egységek
3. Hurok áram és% tartomány
4. Alapkonfigurációs paraméterek
5. Gyártói és eszközcímke

Ezen extra információk kombinációjának felhasználásával a HART-eszközök önállóan jelenthetik a konfigurációjukkal vagy műveleteikkel kapcsolatos problémákat a master / host eszközön. Ez segít csökkenteni a rutinvizsgálatok szükségességét, és nagyon hasznos lehet a prediktív karbantartáshoz.

3. Többváltozós eszközök

Digitális módban egyetlen vezetékpár képes kezelni több változót. Például egy adó képes kezelni több érzékelő bemenetét

4. Az eladó függetlensége

Mindent, ami a HART-tal kapcsolatos, Emerson adta át a HART Communications Foundation-nek, mivel a szabványok nyitottak és nem csak egy gyártóra vonatkoznak. Ez azt jelenti, hogy nincs veszélye annak, hogy korlátozott szállítóspecifikus vagy regionális "szabványok" közé szorulnak.

5. A kínálat szélessége

A HART jelenleg a folyamatipar számára a szóban leginkább támogatott protokoll. Olyan népszerű, hogy annak valószínűsége, hogy egy ipari eszköz HART-kompatibilis, majdnem 1.

6. Átjárhatóság

A HART-kompatibilis eszközök és gazdagép-rendszerek együtt működhetnek, függetlenül a gyártótól, modellektől és egyéb, a hálózatokat sújtó kompatibilitási / interoperabilitási problémáktól. Még azok a gazdagépek is, amelyeket nem a HART-készülék digitális információinak kezelésére terveztek, továbbra is átjárhatók a 4-20 mA-es analóg jelen keresztüli kommunikációval.

WirelessHART

A HART protokoll az évek során a technológia fejlődésével és a használati esetek kifinomultabbá válásával fejlődött. Fejlődésének egyik legújabb terméke az új, WirelessHART nevű technológia, amely teljesen új lehetőségeket kínál a HART információ vezeték nélküli továbbításával.

Ez az első szabványosított (IEC62591) vezeték nélküli kommunikációs protokoll a folyamat-automatizálás területén. A szokásos HART protokolltól eltérően ebben a szakaszban csak a digitális jelen keresztüli kommunikációt támogatja, mivel az analóg kommunikáció nem biztosított, mivel nem használnak csatlakozókábelt.

Jelenleg két különféle WirelessHART megoldás létezik, többek között;

1. WirelessHART adapter a meglévő HART eszközök továbbfejlesztéséhez
2. Önhajtású WirelessHART adó.

A WirelessHART a meglévő vezetékes eszközökön felhasználható a műszerben korábban elakadt hatalmas mennyiségű információ összegyűjtésére, emellett költséghatékony, egyszerű és megbízható módszert kínál az új mérési és vezérlési pontok bekötésére a vezetékezési költségek nélkül.